发达国家生猪规模化养殖的粪污处理经验

发达国家生猪规模化养殖的粪污处理经验

白华艳

(华南农业大学 经济管理学院，广东 广州 510642)

摘要：随着生猪养殖业的迅速发展，其带来的环境污染成为全球关注的话题。发达国家十分重视环境保护，在生猪养殖污染处理方面积累了丰富而行之有效的经验。文章着重介绍了目前在发达国家应用比较成熟和广泛的堆肥与沼气发酵两种生猪粪污处理方式，并对其经济效益进行简要的分析，希望为我国生猪养殖企业的污染治理提供借鉴。

关键词：生猪养殖污染；粪污处理方式；沼气发酵；堆肥；经济效益

收稿日期：2015-06-16

作者简介：白华艳(1980—)，女，湖南郴州人，博士生，主要从事农业经济发展与政策研究。

中图分类号：F307.3;S828文献标识码：A

白华艳.发达国家生猪规模化养殖的粪污处理经验[J].东华理工大学学报：社会科学版，2015，34(3)：212-216.

Bai Hua-yan.The pig farm pollution treatment and economic effect[J].Journal of East China Institute of Technology(Social Science)，2015，34(3)：212-216.

生猪养殖污染和处理模式一直是全球关注的话题。随着生猪养殖业的规模化，生猪养殖所产生废弃物的数量也日趋庞大，从而对生态环境产生了巨大的影响与压力。生猪养殖产生的废弃物主要是排泄物，一个年出栏一万头肥猪的规模猪场每年排出的粪尿约5 000吨，每天清洁地面、冲洗粪沟及猪饮水时浪费而产生的污水总量为100~150立方[1]。动物粪便是一个公认的潜在的各种传染病的源头，通过直接或间接的方式，特别是通过食用受污染的水或食物导致人类疾病[2]。粪便所带来的污染包括水源污染、空气污染、病原微生物污染、土壤污染和残留药物污染等方面，因此生猪养殖企业的粪污处理变得至关重要且意义重大。

近年来，国内外行业专家与科学家都展开了对粪污的处理模式与科学利用的探索，并从实际应用出发，总结归纳出了许多行之有效的办法，一方面解决生猪养殖所带来的污染问题，另一方面从猪粪中寻求实现生猪养殖企业的“粪便经济效益”。在许多发达国家猪粪已经成为一种重要的生物质资源，在应对能源危机、降低温室气体排放、实现生态农业等方面显示了其巨大的潜能，从而形成了消费者、生猪养殖企业、生态环境的三赢局面——可放心食用的猪肉、持续健康的发展生猪企业与可持续的生态环境。

1粪污处理方式

猪粪尿处理的基本方法按其作用的基本原理可分为物理处理法、化学处理法、物理化学处理法和生物处理法四大类。从物理—化学方式分类的处理方式有热转换(燃烧、气化和热解)、固液分离和过滤、先进的碱处理、曝气/混合。生物处理方式包括高温堆肥、厌氧消化、高温厌氧消化、自热式高温好氧消化、人工湿地等。在实际应用中一般分为以下几种模式。

1.1　直接返田

最直接和原始利用猪粪的方式是返田处理，猪粪中包含大量的氮和磷，这些元素可以供农作物直接利用。一方面，猪粪可使得土壤变得肥沃，改善土壤质量从而提高农作物的产量；另一方面，猪粪中的有害物质通过土壤与植物根系的吸收、降解，使得病菌得以消灭[3]。

1.2　堆肥

堆肥方式是猪粪无害化处理方法中最简单、最有效的方法。养猪场如果没有足够匹配的土地消化猪粪，采用堆肥模式是最为经济的方式，只需要一块空地和相应的人工。堆肥处理模式因具有运行费用低、处理量大、无二次污染等优点而在美国、加拿大、日本和韩国等获得广泛使用。

1.2.1美国

美国人把堆肥比喻为“做饭”，其在美国的普及程度是非常高的。美国地域辽阔，虽然不同地区因养殖模式的不同导致猪粪的处理方式差异很大，但是美国绝大部分的养殖场都将猪粪直接返田处理。大部分的猪场将猪粪分为固体和液体来收集与处理。在猪圈内放置木屑或者其他吸收粪尿的垫料，当粪尿被完全吸收，就会移除并加入新的垫料以保持猪圈的干燥。固体部分用于堆肥，在养猪场周边的空地上，经过几个星期的发酵成熟后返还农田。液体部分经开槽的地板收集到存储池里，存储池深度为4~10米，通常可以容纳3-12个月的猪尿。同时，堆肥是处理猪尸体的最好办法。另外一种方式是液体粪肥收集系统，直接用液体肥料加入混合填充剂与膨胀剂，安大略省大部分猪场采用搅拌床系统，在液体肥料中添加稻草或木屑。多余的水分可以使用一个封闭的堆肥系统通过蒸发去除，增加这个工艺的话可以减少填充剂的数量。

1.2.2加拿大

加拿大是堆肥应用最广泛的国家。2011年，加拿大超过一半(61%)以上的家庭参加了某种形式的堆肥活动，在Edward Island和Nova Scotia分别有96%和94%的家庭参加堆肥。加拿大猪场通常采用秸秆与粪便混合堆肥的办法。堆肥一般需要较大的沟槽，然后将麦草、玉米灯秸秆与猪粪充分地混合使其发酵。也有的养殖场采用木屑垫底的办法，之后将木屑用于堆肥。养殖场的粪尿水要经过污水处理池发酵后，用于农田的施肥或灌溉。

1.2.3日本

日本家畜排泄物为8 700万吨，90%的粪肥利用堆肥方式进行处理[4]。日本普遍采用高品质堆肥技术，此技术腐熟度高，容易储存。日本木屑养猪场法是较为节水的方式，主要是通过木屑吸收猪粪，然后层层加厚，最后将其当做肥料返田处理。猪粪污水同样需要经过处理后才能用于农田灌溉。

1.3　沼气发酵

沼气发酵是微生物在厌氧条件下，将有机质通过复杂的分解代谢，最终产生沼气和沼液的过程。目前实际应用中一般有三种模式。一是达标排放模式，二是种养结合+集中供气模式，三是沼气+养鱼模式。

以丹麦、德国和英国等为代表的欧盟国家都十分注重保护养猪场周边的生态环境，大型养猪场都会配置有猪粪尿的固液分离装置以及沼气发酵装置。猪粪经过沼气装置处理后，将残渣储存在钢罐内留待返田。沼气则可作为电力和热源，供本农场使用或并入电网。从而，以猪粪为能源建立起了一个环保的、多层次利用的生态农场。

1.3.1丹麦

丹麦被世界公认为“养猪王国”，根据丹麦农业理事会的统计，丹麦的猪肉贸易额约占全球的23%，是世界第三大的猪肉出口国。2009年，丹麦政府推出了“绿色增长计划”。这项政策希望能在2020年实现50%的禽畜粪肥要用于能源生产(之后才作为农田肥料)，最终达到100%的目标。丹麦政府鼓励使用禽畜粪肥生产沼气，沼气生产可以获得高达30%的投资支持，同时每生产1吉焦可以得到15.3欧的补贴，新的补贴政策也支持沼气用于交通系统以及热能生产。

丹麦已经有10%的禽畜粪肥由沼气厂用于能源生产，近20%的丹麦禽畜养殖户参与到沼气生产中，每立方米猪粪污泥可以生产290立方的沼气，而每立方的挥发性干物质可以生产210立方的沼气。61头猪(重30至102公斤)的粪便所生产的沼气可以满足一个人的全部用电需求和25%的供热需求。在丹麦，基于粪肥的能源生产主要运用厌氧消化来保留住营养成分。

丹麦生产沼气的工厂分为工业型工厂与农场型工厂。丹麦目前有约五分之一的养猪农户通过合作共有的工业型沼气厂从事基于禽畜粪肥为原料的沼气生产。工业型沼气厂规模较大，规模经济优势明显，拥有大量的投资和高新技术，年处理能力在平均10万吨以上(处理40到100个农场的粪肥)，通常由农民合作社和能源公司组建。对于农户而言只需要把粪肥送到工厂，而不需要自己投资建设粪肥处理设施，极大地节约了成本。目前，丹麦拥有20家专业性的沼气生产厂，所处理的粪肥来自1 600家畜禽养殖场，每年能够处理5万吨到50万吨的粪肥。另外，工厂也是厌氧消化粪肥产品(沼液)的区域集散中心。沼气则通过管道运至附近的村落，进行气候友好型的集中供热。农场型沼气厂只处理一家的畜禽粪肥，这对于大型养猪场特别具有吸引力，不仅不会对附近居民的生产生活带来较大影响，而且供热还可以自给自足。目前，丹麦拥有57座农场型沼气厂，每年能处理近2.5吨的基质*基质：基质至少含有75%的禽畜粪肥，包括来自屠宰场的动物内脏。。沼气厂多采用圆柱型钢铁罐作为消化罐，同时配备主、次两个消化罐，这样可以多生产10%至15%的沼气。

沼气主要用于发电、供热以及提纯后成为天然气这三个方面。大多数沼气厂利用沼气发动机将沼气转化为电能，产生的余热则输送给当地的集中供热厂使用，提纯为天然气后投入交通系统中使用。现在的丹麦天然气网络既可以储存天然气，也可以为交通系统提供能源。因此这种方式的产能效率最高。沼液经过固液分离后，固体部分可以作为有机肥料销售，液体部分可以返还给禽畜养殖场或者远距离运输到有需要的地方。

1.3.2德国

2000年德国可再生能源法开始实施以后，沼气工程得到了快速发展。截止到2011年底，已建成沼气工程7 215座，成为拥有世界上最多的沼气工程、当今世界上沼气工程技术发展和实践应用最为成功的国家之一。

德国目前拥有4 300个农场型沼气厂，到2020年将增加到10 000-12 000个。随着畜牧业的发展，德国养殖场每天产生的粪便干物质约可达60 000吨左右，采用全混合发酵法处理猪粪便的比例高达94%，猪粪占混合原料发酵的比例为50%~80%之间。在农村，许多畜禽养殖场、农场的沼气工程多采用2个发酵罐串联发酵，其中第一个发酵罐采用连续进出料方式，其排出的料液进入第二个发酵罐储存并在其中继续产气，同时该罐还兼作沼气储气装置[5]。储存在第二个发酵罐的料液经过120天左右时间储存后才能排放出来，沼气发酵残留物以直接喷洒至农田综合利用为主。

德国的沼气工程所产生的沼气多是用于发电。2008年前，沼气多用于内燃机带动发电机发电，大多数养殖场发电装置与国家的电网相连接，电力上网后为其他城市供电。2008年后，提纯后的沼气可直接并入天然气管道。

1.3.3英国

在英国，猪场一般都有相匹配的种植面积，大部分粪肥经过处理后最终返还农田。猪粪的处理方式目前主要有两种。一种是猪粪经过粪便池的沉淀后与秸秆混合形成有机肥料返还农田。二是建造沼气池使用沼气发电。英国在2006年以前是欧洲生产沼气最多的国家，2006年后被德国超越排名欧洲第二，但是人均沼气产量名列前茅。

2粪污处理方式的经济效益分析

2.1　堆肥经济效益分析

堆肥不像沼气生产一样能带来直观的经济效益，更多意义是在于保护水资源与环境。一般情况下是遵守当地的环境等相关法规，为节约养猪场的粪肥管理总成本而选择的粪肥处理途径之一。堆肥能带来的好处是可以将肥料打包销售而增加收入，如加拿大的堆肥用于花卉的种植，每吨堆肥的生产成本为10加元，而售价可达25～60加元[6]。在采用木屑等垫料的养猪场能节约水的开支，也可以节约土地肥料的开支。有些农场中是采用液体粪水系统的则需要购买固液分离设备，从而产生额外的成本。但是堆肥是比较容易操作、投资不大且容易运输的粪肥处理方式。

在美国，堆肥方式的成本主要来自两个方面。一是运营成本，包括原料运输、设备控制与监控、场地租金、设备、设备维护、垫料。二是管理成本，包括生产记录、公共关系、与供应商谈判、销售成本[7]。工业化堆肥工艺简单而且能产生不小的经济收益。

表1　美国堆肥成本分析 　 单位：美元

数据来源：Penn State University Organic Material Processing and Education Center

以翻堆方式生产100吨肥料为例。假设堆肥厂每天处理12吨原料，堆肥所占面积为1英亩，设备每天工作5小时，翻堆5次，堆肥所需时间为6天，详细成本如表1所列。生产100吨肥料的总成本为2 435美元，平均每吨成本为24.35美元。销售堆肥总收益为3 950美元，扣除成本2 435美元，因此在美国生产100吨肥料且采用堆肥方式的收益为1 515美元，平均收益每吨为15美元。

2.2　沼气发酵的经济效益分析

沼气生产的经济收益主要来自沼气生产产生的热、电。当地政府政策激励，沼液的产生的肥料等价值的输出，还可以抵消养猪场电力、热能消耗、化肥等成本开支。猪场间的一些大型设备、技术人员也可以共享以降低成本。沼气厂主要的成本来自融资以及利息等金融成本以及购买原料的开支，操作和维护成本，如劳工、保险等相对较低。建立一个沼气厂的高投入高成本意味着企业应该考虑的是长期操作，而且规模化也是降低成本和风险的好选择。

以英国500头母猪大型养殖厂为例(见表2)。养猪场每年产生10 500立方米的肥料,采用80%液态粪肥与20%青贮或玉米发酵混合发酵,根据需要消化罐的设计体积为1 526立方米,沼气罐容量设计为199立方米。每天产生的总能量为5 260千瓦时，工厂电力消耗为1 178 Kwh,占总能量的49.7%。采用金融贷款，总投资年度还款为42 779欧元。项目总成本(不包括连接到电网或其他设施)为411 333欧元，连接到电网将增加145 500欧元的开支，另外人工为12欧元/天，运输平均为4.7欧元/ m3,保险与设备维护分别占总投入0.75%与3%。如果采用固液分离模式则在总成本上增加134 127欧元开支(平均12.8 m3),采用木屑堆肥方式则增加36 883欧元(平均2.8 m3),人工泻湖将增加48 342欧元(平均4.6 m3)。收益主要来自电力销售，目前的电价为0.15欧元/Kwh,每天发电1253千瓦时,收益约为188欧元/天,年收益为68 604欧元。热能产生为476 kw/天,节约汽油消耗为16 960欧元/年。在这样的情形下,500头母猪养殖场的收益平衡电价应该由0.15欧元上涨为0.27欧元，成本回收时间则由16.4年缩短为12年。2 000头猪场因规模效应可在4年时间收回投资成本[8]。

3主要结论

堆肥和沼气发酵是发达国家生猪规模化养殖场广泛使用的两种粪污处理方式。毫无疑问，这两种方式都是非常有效的，但是它们都有各自的特点。总结起来，发达国家生猪规模化养殖的粪污处理经验可以归纳为以下三个方面。

表2　英国500头母猪沼气生产厂的成本收益 　 单位：欧元

*总投资还款：1 000欧元利息为104欧元(15年)
*连接电网投资还款：1 000欧元利息88欧元(20年)
注：数据来源于Economic analyses of pig manure treatment options in Ireland(2012)

3.1注重生态环境保护，实现资源可持续利用

发达国家生猪养殖场把粪便等废弃物视作可利用的自然资源，无论是直接返田、堆肥，还是沼气发酵，都将猪粪便加工成用于改良土壤营养、灌溉用水，以及发电、发热的生物质多层次利用能源，实现了生猪养殖与种植、生活的良性循环，既有效保护了生态环境，也促进了生猪养殖业的健康协调发展。

3.2依靠政府支持，采用先进处理技术

发达国家处理粪污的方式是与其自然禀赋、劳动力资源和经济发展状况相适应的。同时，随着生猪养殖规模的扩大，生态环境保护力度的加强，对生猪养殖的粪污处理技术要求日益提升，而先进技术的采纳与应用，离不开政府的支持及补贴。比如丹麦与意大利，政府给予小型沼气厂建设投资补贴高达40%左右，有力地促进了基于禽畜粪肥为原料的沼气生产。瑞典和意大利则享受建设补贴30%，此外政府还采取税收优惠、上网电价补贴等激励政策。英国、荷兰等国则根据终端产品进行补贴，如沼气补贴和上网电价补贴等。

3.3重视经济外部性，创造经济与社会效益

发达国家对生猪规模化养殖粪污的处理，有效地保护了土地资源、水资源，减少了CO2的排放，带来了良好的生态价值。粪便加工生产的沼气替代了部分能源，在创造直接经济效益的同时，也创造了清洁、文明、现代生活方式的社会价值。

[参考文献]

[1] 吴启发.畜牧业发展中畜禽粪污的危害,治理与利用[J].安庆科技,2012 (1): 24-26.

[2] Spencer, J.L., Guan, J. Public health implications related to spread of pathogens in manure from livestock and poultry operations[J]. Methods Mol. Biol. 2004(268):503-515.

[3]谭新,方热军.猪粪对环境的污染及其处理与利用技术[J].饲料工业,2006,27(21):58-60.

[4]沈振寰,钱静华,张玮,等.国际沼气产业发展现状报告[R].北京：轻工业环境保护研究所,2011.

[5]杨世关,张百良.德国沼气工程技术考察及思考[J].农业工程技术：新能源产业,2007(1):62-65.

[6]王顺德.加拿大养猪业考察报告[J].河北畜牧兽医,1989(3):51-52.

[7] Nadine Davitt. food and bio-based cafeteria-ware composting for Federal facilities [R]. Washington DC,2005.

[8] Nolan, T., et al., Economic analyses of pig manure treatment options in Ireland[J]. Bioresource Technology, 2012(105):15-23.

The Pig Farm Pollution Treatment and Economic Effect

BAI Hua-yan

(CollegeofEconomicsandManagement,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China)

Abstract:With the rapid development of pig industry, the pig manure pollution becomes a topic of concern in the world. Developed countries attach great importance to the environment protection, and they accumulate rich experience and effective methods on manure management. This paper introduces two ways to solve the manure pollution: biogas fermentation and composting, which are widely used in developed countries. Furthermore, their economic effect is discussed briefly. We hope to provide references for pig farm in China.

Key Words: pig farm pollution; manure management; biogas fermentation; composting; economic effect